基于ANSYS有限元分析的座椅建模與計算

王建立,李玉光

(大連大學機械工程學院,遼寧 大連 116622)

基于ANSYS有限元分析的座椅建模與計算

王建立,李玉光

(大連大學機械工程學院,遼寧 大連 116622)

采用Pro/E三維建模軟件建立座椅的三維實體模型。采用"體單元"的方法建立計算機輔助分析模型。利用ANSYS有限元分析軟件對座椅的坐墊、靠背的彈性進行計算,并與座椅試驗的力-變形曲線對比,驗證了建模與材料定義的正確性。

座椅;有限元;建模;計算

在日常生活中,座椅給了我們很多幫助。座椅不僅能夠支撐坐在上面的人身體的重量,減輕人的疲勞以滿足人的舒適性要求,還能夠滿足坐在上面的人的各種功能需求。例如可以移動到自己想去地方、調節椅背的不同角度以滿足不同的舒適性要求等。因此,在本文中著重研究人在椅背和坐墊上施加一定的載荷之后,椅背和坐墊的變形程度、應力分布狀況和各個方向的位移分布情況。

1 座椅模型的建立

1.1 座椅模型的建立過程

(1)建立座椅結構的幾何模型;

(2)選擇用于模擬座椅上的各種結構和聯接的有限元單元;

(3)用有限元單元對座椅幾何結構進行離散化,劃分有限元網格;

(4)定義單元和材料的屬性;

(5)以試驗結果為依據,驗證并確認最終的仿真模型。

1.2 座椅結構有限元詳細模型的建立

在整個有限元分析求解過程中最重要的環節是有限元前處理模型的建立,這一過程一般包括幾何模型、網格劃分、添加約束與載荷以及定義材料等。它對后期的分析求解有著直接的影響,影響仿真的精度和效率。建模的基本原則是保證建模的準確性。為保證計算精度,模型必須能夠如實反映座椅的幾何特性和力學特性。為了提高模擬計算的效率,在建模時還必須考慮單元類型、數量和質量等因素。

一般可以通過兩種途徑建立幾何模型,一種是使用CAD軟件建模,如使用Pro/Engineer、UG、CAT IA等常用的CAD軟件建模,另一種方法是應用CAE軟件中的CAD模塊直接建模。很多的大型有限元軟件都包含這樣的CAD模塊,如ANSYS。與專業的CAD軟件相比,CAE軟件中的CAD模塊在功能和精度上都存在一定的差距,而且比較繁瑣,因此對于復雜問題最好使用CAD軟件建立幾何模型,在劃分網格過程中利用CAE軟件中的CAD模塊對模型進行少量的修改。在本文中我采用Pro/Engineer建立座椅的幾何模型,再通過IGES接口,將CAD數據導入到ANSYS中進行前處理。

座椅有限元模型的建立原則為:

(1)在保證計算目的和精度是條件下,適當簡化模型;

(2)合理選擇單元類型,減少輸入數據量和計算時間;

(3)合理控制單元大小,相應分配模型單元數。

1.2.1 體單元的選取

體單元的選取應該從精度、效率以及對幾何型面進行離散化時的方便性和準確性加以考慮。ANSYS軟件中提供了多種體單元類型,座椅骨架有限元分析模型通常采用三角形和四邊形體單元。

從幾何模擬角度看,采用三角形單元進行空間型面離散化,較為靈活、方便、準確,尤其易于逼近復雜的過渡面,在許多CAD/CAM軟件中常常采用三角形單元,用作基本的離散化單元,但在有限元分析中,三角形單元的計算精度和準確度較差。

圖1 椅背和坐墊區域采用四邊形單元劃分

1.2.2 定義單元材料的屬性

對單元進行定義,包括單元類型、實常數、材料特性等。其中骨架和外包殼采用shell 63號單元,泡沫體單元選用Solid 45號單元。

2 座椅模型加載后的有限元分析

2.1 完善CAE模型

如圖3所示,通過網格劃分,將整個座椅離散為多個單元,建立了完善的座椅CAE模型。

2.2 施加約束和載荷后的情況

根據坐墊的通常受力情況,對坐墊內固定區域加載,每個節點受力均勻,加載節點數為132,;面積為300mm＊300mm。對坐墊和椅背施加一定的載荷,在本文中以一個60Kg的人為實驗對象,座椅的坐墊和椅背的應力分布情況和各個部分的位移變化如圖4所示。

四邊形單元具有較高的精度和準確度,可以有效保證座椅有限元模擬計算和實際狀況的一致性,但的四邊形單元的計算效率比較低,需要較長機時才能完成模擬計算。

建立座椅有限元模型時,精良采用四邊形單元,尤其是對有坐墊、靠背、底座骨架等關鍵受力部位,全部采用四邊形單元劃分網格;個別尺寸,形狀變化比較大的區域,如靠背和坐墊兩表面相交處,采用了少量的三角形單元?？傮w上來講,大部分區域采用四邊形單元進行網格劃分,小部分區域采用三角形單元進行網格劃分。

具體的網格劃分區域如圖所示:

圖2 椅背和坐墊區域采用四邊形單元劃分

3 對施加載荷后的座椅進行求解計算

圖3 座椅的CAE模型

在對座椅施加載荷之后,用ANSYS進行運算,最后得出座椅受力的應力分布云圖和位移云圖。應力分布圖展示了X、Y、Z三個方向上的應力集中分布情況(圖5、圖6、圖7)。位移分布圖也分別展示了X、Y、Z三個方向上的位移變化狀況(如圖8、圖9、圖10)。

圖4 施加載荷后的情況

圖5 X方向應力云圖

圖6 Y方向應力云圖

圖7 Z方向應力云圖位移圖:

圖8 X方向位移云圖

圖9 Y方向位移云圖

4 結論

采用體單元網格劃分的方法對座椅進行有限元分析是比較成功的,這樣就可以在進行座椅設計研究時,著重考慮應力集中的地方和位移發生較大的地方,為下一步的設計做好前期準備。當然也存在一些不足之處,在進行網格劃分時,對模型進行了較大的簡化,應該進行進一步的完善幾何模型和有限元模型,是結果更加優化。

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Modeling and Simulation with Finite Element Method in Seats

WANG Jian-li,L I Yu-guang
(College of Engineering,Dalian University,Dalian,116622,China)

Establish the 3-D solid modeling with the software of Pro/Engineer.Establish the computer aided engineering model of car seat with the methods"solid elements",calculate the elasticity of seat with ANSYS.Compared with the"force-distortion"curve of seat test,we examine the validity of modeling and the definition of materials.

seats;finite element method;model building;Simulation

TH122

A

1008-2395(2010)06-0053-04

2010-10-05

李玉光(1963-),男,教授,Email:dlxsc@126.com